苹果三星们再也不用怕，防爆电池要来了

郑晶敏

要说当下智能手机厂商最头疼的问题，除了功能和外观上的革新遭遇瓶颈外，锂电池的安全性也一定少不了。

2018年1月2日和1月10日，位于瑞士苏黎世和西班牙瓦伦西亚的苹果零售店就先后发生了iPhone手机电池爆炸事故，对于仍在经历“基于电池性能，旧手机运行速度会放缓”指责的苹果公司来说，这无疑是火上浇油。更不用说2016年三星Galaxy Note7在全球范围内发生的30多起爆炸和起火事故，这起“丑闻”让三星在当年遭受了巨大的经济和品牌形象损失，还不得不作出停产决定。

锂离子电池因其良好的性能被广泛应用于电子产品生产中，但锂金属活泼的化学特性，使它同时也成为电子产品中最危险的零件之一。三星Galaxy Note7的电池，就是因为在其阳极与阴极隔离膜局部变薄，并且绝缘胶带未完全覆盖极板涂层的情况下，出现了短路现象，导致电池异常发热，极端情况下就会引起燃烧甚至爆炸。

現在，来自东京大学的研究员们尝试在电池中添加一种含有阻燃剂—磷酸三甲酯的高浓度电解液来解决这个问题。

锂离子电池一般由锂合金金属氧化物正极、石墨负极、非水电解液和隔离材料组成。在电解液中添加阻燃剂在技术上并不难实现。事实上，阻燃剂磷酸三甲酯是目前市场上最普遍使用的阻燃剂之一。但它有一个致命缺陷—影响电池性能。因此电池厂商往往对在电池中添加阻燃剂非常谨慎。

这也是长期困扰研究小组的难题。“阻燃剂很容易与锂电池正极发生反应而分解，因此在电解液中加入少量阻燃剂就会大大降低电池的性能，尤其会缩短电池使用寿命。”来自东京大学Yamada Lab的研究员Atsuo Yamada对《第一财经周刊》说。

不只东京大学，其实很多研究机构都想到了使用阻燃剂，让锂电池变得更安全，他们也用了很多方法防止阻燃剂影响电池的性能。

比如美国加州大学圣迭戈分校的科研人员曾提出将阻燃剂包裹在胶囊中，再添加进电解液，以避免其对电池性能产生影响。更早的2014年，马里兰大学的一支华人科学家团队研发出了一种基于水基电解液的锂离子电池。但这些研究都因存在缺陷而未能实现商业化—用胶囊包裹的阻燃剂虽然对电池性能的副作用降低了，可同时会使阻燃效果大打折扣；水基电解液的方法则只能解决一时的问题，水分子一旦随着温度升高开始分解，就又会降低电池的性能。

“目前为止还没有任何电解质材料能完美达到既安全又不影响电池性能。”Atsuo Yamada说，“即便是最安全的固体电解质，也会受到电极和电解质界面接触的不良影响，并且面临电解质化学稳定性差的问题，尤其是硫基固体电解质，极易燃烧，在环境温度下与水接触时还会产生有毒的硫化氢气体。”

此外，传统的提高电池安全性能的方法还包括使用隔离材料，优化电极材料。“但这些都是间接方法，且需要反应时间，对阻止爆炸几乎是无效的。”Atsuo Yamada说。

如何才能在不影响电池性能的前提下提高电池的安全性能？东京大学的研究人员给出的答案是，在电解液中添加高浓度的NaN（SO2F）2（NaFSA）或者LiN（SO2F）2（LiFSA）作为溶质盐。在这两种化学物质的作用下，电池负极上会形成一层无机钝化层（钝化就是使金属表面转化为不易被氧化的状态，从而延缓金属的腐蚀速度），起到提高锂离子电池热稳定性的作用。

普通的锂离子电池也具备无机钝化层，但传统的钝化层由有机和无机物质混合组成，稳定性较差的有机物是影响电池热稳定性的主要原因。当电池温度达到70摄氏度时，钝化层便开始分解。失去这层保护膜之后，电解液便会和电池负极发生发应。电池内部材料分解时，升温速度最高可达每分钟200摄氏度，而隔离材料一般能承受的最高温度为130摄氏度左右。失去这层安全屏障，爆炸就发生了。

经过试验，研究员们发现，NaN（SO2F）2（NaFSA）和LiN（SO2F）2（LiFSA）的离子之间作用力弱—这意味着化学特性稳定，并且在较高的浓度下依然能维持较高的离子导电率。更重要的是，这两种物质形成的无机钝化层几乎排除了有机物。再加上阻燃剂在高温下产生的磷自由基，可以清除支持燃烧的活性氢和氧自由基，因此该电解液可以降低电池着火或爆炸的风险。“完全排除易燃有机溶剂使电解液不具备可燃性，这与通常在火灾事故中充当燃料的商业电池的电解液完全不同。”Atsuo Yamada解释说。

为了证明NaN（SO2F）2（NaFSA）和LiN（SO2F）2（LiFSA）的可靠性，研究小组通过多次测试证实了其稳定性。试验显示，同样在150摄氏度的条件下，浓度为3.3M（M为浓度单位摩尔/升）的NaN（SO2F）2（NaFSA）溶液重量降低了1.2克，而同样浓度的传统电解液降低了35克重量。这说明高浓度电解液的稳定性高出传统电解液数十倍。

让研究人员惊喜的是，这种稳定的无机钝化层非但未削弱电池性能，反而还在某些方面提高了性能。

首先是延长了电池使用寿命。高浓度电解液可实现高稳定充电放电1000次以上，而传统的锂电池寿命通常在300至500次之间。此外，高浓度电解液还可以使锂离子电池的工作电压从当前的3.7伏特提高到4.6伏特。这意味着将来应用这种电解液的电池不仅能在手机等电子设备上使用，还能适应对电池能量密度、安全性要求更高的电动汽车。

但目前的研究成果还不足以支持这项技术的商业应用。“这项成果对商业电池来说成本过高了。”Atsuo Yamada告诉《第一财经周刊》。要想将这种高浓度电解液推向市场，接下来最关键的一步是研发出更成熟的工艺以方便量产。

“一旦实现量产，成本将大大降低。”Atsuo Yamada说。而到了那一天，或许少了很多安全之忧的厂商，对于一直技术发展缓慢的锂电池，才敢做出更多的激进创新。